Duizenden micro-organismen bevrijden om in willekeurige richtingen te zwemmen in een oneindige plas vloeistof klinkt misschien niet als een recept voor orde, maar uiteindelijk zal de zwerm met zijn eigen stroom meegaan.

Theoretische modellering onder leiding van de door de University of Wisconsin-Madison toegepaste wiskundige Saverio Spagnolie toont aan dat de krachten die worden gegenereerd door verschillende soorten kleine zwemmers ze allemaal op voorspelbare manieren zullen opvegen.

"Wanneer elk individueel deeltje de stromen ervaart die door alle andere deeltjes worden gecreëerd, het is bekend dat er op natuurlijke wijze verrassende effecten kunnen optreden, "zegt Spagnolie. "De stromen en oriëntaties van de zwemmers worden coherent op een lengteschaal die veel langer is dan enig individueel deeltje, resulterend in enorme zwermen organismen die in dezelfde richting zwemmen en, misschien onbedoeld, samenwerken."

De beweging van massa's dingen die te klein zijn om gemakkelijk te kunnen zien - zoals eencellige organismen en filamenten in individuele cellen die verantwoordelijk zijn voor celdeling - is van cruciaal belang voor onderzoek in materiaalwetenschap, techniek en biochemie.

Door de interacties te simuleren van grote groepen deeltjes die elk een stroom creëren, Spagnolie en Arthur Evans van UW-Madison, De natuurkundige Christopher Miles van de Universiteit van Michigan en de wiskundige Michael Shelley van het Flatiron Institute en de New York University ontdekten dat wanneer de deeltjes worden opgesloten in een dun vel en mogen uitzetten tot een lege vloeistof, de collectieve beweging kan worden beschreven door vergelijkingen die al worden gebruikt in geheel andere klassieke problemen in de vloeistofmechanica. De groep publiceerde haar bevindingen vandaag in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Als je het traject van 10 oplost, 000 of 100 of zelfs 10 dingen die rondspringen, het is moeilijk te zien wat er aan de hand is. Je kunt de diepe structuur uit het oog verliezen, " zegt Spagnolie, wiens werk wordt ondersteund door de National Science Foundation. "Maar als er genoeg deeltjes zijn, ze kunnen zichzelf zien als een soort actieve vloeistof, met vergelijkingen die de snelheid en dichtheid van een lokale groep deeltjes beschrijven - net zoals we denken over het afleiden van vergelijkingen om stromend water of lucht te beschrijven."

De onderzoekers werkten de relevante vergelijkingen uit voor deeltjes die op verschillende manieren bewegen:zwemmers die zichzelf actief door vloeistof duwen of trekken, en typen (zoals microtubuli in een cel) die zichzelf door moleculaire middelen duwen of trekken zonder actieve aanhangsels zoals flagella - en ze in beweging brachten.

"Van die verstoring is er deze explosie van beweging, "zegt Spagnolie. "En dan kijken we hoe de verschillende krachten zich uitwerken op verschillende soorten deeltjes."

Terwijl een hechte kolonie trekkende zwemmers, bijvoorbeeld, strekt zich uit in een lijn loodrecht op de richting waarin ze gaan, een kolonie duwers strekt zich snel uit in de bewegingsrichting, en buigt zich dan steeds weer om in een waterval van krimpende plooien.

"Dat deze individuen passief kunnen groeperen vanwege hun vloeiende interacties alleen, en dat dit resulteert in grootschalige gebeurtenissen en effecten die ze niet kunnen bereiken als onafhankelijke deeltjes, is relevant voor veel biologische functies, zoals het mengen van voedingsstoffen en bacteriële resistentie tegen antibiotica in bacteriële zwermen en biofilms, ' zegt Spagnolie.

De onderzoekers zijn van mening dat hun theoretische beschrijving van de snelle groei van actieve vellen - die onverwachts leek op bekende vergelijkingen zoals die worden gebruikt om de beweging van vloeistoffen te beschrijven die tussen platen zijn opgesloten of door de grond worden verspreid - van nut zal zijn voor anderen die werken op het punt waar vloeistoffen interactie met miniatuurverhuizers zoals bacteriën en microtubuli.

"Dit is een van de eerste theoretische overwegingen van geconcentreerde deeltjes die een bulkvloeistof binnendringen, "zegt Spagnolie. "De hoop is dat dit een geval zal zijn van een theorie-leidend experiment, het aanbieden van voorspellingen die kunnen worden gevalideerd of ongeldig gemaakt door onderzoekers die op het punt staan ​​een dergelijk experiment uit te voeren."